杨清霞

【摘要】本文通过某不规则建筑工程主体结构的设计，详细介绍了该工程的结构设计难点和处理办法，同时介绍了如何运用性能化设计方法对不同结构部位和构件进行加强。对此类的建筑具有一定的指导作用，以便于以后的施工需要，供大家参考。

【关键词】高层建筑结构；钢框架；抗震设计；

1、工程概况及结构设计难点

某建筑工程主楼地上32层，标准层层高4.50m，主屋面高度为148.80m，结构最大高度为180m。附楼4层，中间间隔规划道路，地下设置满堂地下室3层，总建筑面积约14万m2。建筑主体造型通过对椭球体进行的平面和竖向拉伸，再用三个曲面分别切割南侧、北侧及東侧。各层建筑平面均在变化，下部楼层是逐渐外伸由小变大，层l5达最大平面尺寸，上部楼层是逐渐由大变小，至180m高度汇交于一点。芯筒区GKZ截面一般均为600mm×600mm钢箱柱，壁厚由34mm逐渐变化到20mm；外框钢管混凝土柱直径1100ram（壁厚30ram），最大直径为1250ram（壁厚50ram）；角部弧形桁架柱为最大截面600mm×1000mm钢箱柱，壁厚由75mm逐渐变化到20mm。

工程建筑对结构设计的主要影响有：（1）结构的中心部分在南北方向有效宽度较小，中部最小尺寸约为6m，为主屋面高度的1/25，导致中心部位抗侧力构件的刚度严重不足，在两主轴方向刚度不协调。（2）楼板开洞的位置较多。底部4层通高的主人口导致底部3层楼板缺失；在中上部层2O和22的1b和1c轴左侧的楼板全部取消，形成两个高9m的无柱空间，X向最大跨度达24m；底部4.5m标高处，除芯筒部分外，楼板全部取消，形成高度9m的人口大堂。楼板开洞导致此部分楼层质量中心突变，刚度中心偏离较多，同时西侧弧形桁架和中心部分联系较弱。（3）角部斜立的竖向构件外倾和内收的尺寸较大，且向两侧伸展，呈现双向的弯曲造型；构件的空间定位、受力机理较复杂；楼层平面的梁和板存在较大的轴力去平衡倾斜桁架柱内竖向荷载作用导致的水平分量。（5）复杂的空间体形和内部功能空间的变化，给结构设计带来较大难度。如何有效地组织结构的竖向构件，同时形成高效的抗侧力系统，是本工程结构设计面临的最大挑战。

2、结构选型

根据规定将本工程主塔楼抗震设防类别确定为重点设防（乙）类建筑。根拟建场地的抗震设防烈度为8度（0.2Og），设计地震分组为第一组。由于建筑平面的原因，本工程如采用钢筋混凝土核心筒的抗侧力方案，较难满足规范要求的层间侧移指标和结构性能化目标的要求，经过方案比选，最终选定的是钢框架一中心支撑的结构方案。

根据抗规第8.1.3条的规定，钢结构房屋的抗震等级为一级。第8.1.5条规定：“抗震等级为一、二级的钢结构房屋，宜设置偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震墙板、内藏钢支撑混凝土墙板、屈曲约束支撑等消能支撑或筒体”。本工程由于斜立的角部钢桁架柱参与抵抗双向水平地震作用，且芯筒区也非规则的正交轴网，给设置偏心支撑带来较大的难度；而中心支撑在受压下可能发生屈曲，延性稍差，无法满足本工程的抗震性能要求。综合以上原因，本工程在芯筒部分全面采用屈曲约束支撑（BRBs），通过屈曲约束支撑良好的耗能能力，有效地提高结构的抗震能力；同时支撑体系易于进行结构刚度的调整，从而减小刚度中心和质量中心的偏心。为节省工程造价，所有直立的外框钢柱均采用钢管混凝土柱。

3、屈曲约束支撑的布置

屈曲约束支撑是为框架或排架结构提供很大的抗侧刚度和承载力，采用支撑的结构体系在建筑结构中应用十分广泛。支撑布置应均匀且相对集中，均匀是为使每榀支撑桁架分担恰当的水平荷载，相对集中是为提高支撑桁架的有效高度，提高材料的使用效率。同时支撑布置必须满足门洞布置等建筑功能的需求。在地震荷载作用下，由下至上各楼层的层间剪力均匀地逐渐减小，相应的支撑刚度（截面）也逐渐减小。高层建筑中框架支撑体系的受力特征和框架一剪力墙结构体系的受力特征一致，在水平荷载作用下，在中下部楼层，支撑（剪力墙）承担主要的楼层剪力，在中上部楼层，框架承担主要的楼层剪力。这也使高层建筑中上部楼层支撑的布置，特别是屈曲约束支撑的布置具有很大的优化空间。

4、弧形组合桁架布置及受力特点

在本建筑结构平面的西侧，由于造型和平面功能的原因，必须由西侧弧形并呈双向伸展的组合构件去承担较大跨度的竖向荷载，其东西方向在层15较底层外凸达14m，上部内收达22m；南北方向中间最大宽度较底层外凸1lm。由于结构平面中心部位的抗侧刚度不足，此弧形组合桁架同时是协助抵抗水平地震作用的关键构件。

4.1形态与布置。上述3个角部的弧形构件，均呈现双向的曲线变化，下小上大同时外凸。在进行结构布置时，为便于加工制作和施工过程控制，在底层位置处，在西侧沿⑤ 一④轴用铅垂面剖切西侧曲面体，生成6榀直立的弧形桁架；外凸部分再增设斜柱，同时在弧线方向再增设腹杆，形成一相对复杂的空间巨型桁架。东南和东北侧的弧形体相对外倾和延伸较小，且东侧芯筒部分抗侧刚度较大，仅设置弧形柱相连的框架，未设置腹杆。这些弧形体内部有较多的风道贯通上下，因此在每个楼层处的桁架位置平面内均设置水平支撑予以加强。

4.2受力特征分析。在竖向荷载作用下，和桁架相连的框架梁内均有一定的轴力，在层4框架梁中最大，此部分框架梁由于截面高度均较大，为保证腹板的稳定，其构造厚度一般均较厚，经特别加强及复核，横向构件均能承担此部分轴力。在竖向荷载作用下，弧形桁架的外侧弦杆（柱）由于更靠近荷载中心和斜腹杆的不断卸载作用而远大于内侧弦杆（柱）；而在水平地震荷载作用下，为抵抗倾覆力矩，弧形桁架的整体性表露无疑，倾覆力矩使远端的弦杆（柱）轴力最大，在X向地震作用下是中间最左侧和南北最右侧4根柱，在Y向地震作用下是南北最外侧4根柱。

4.3水平力的传递。西侧桁架承担了较大部分无柱空间的竖向荷载，同时还承担了一定的水平荷载作用。在竖向荷载作用下，由于平面内收上部楼层在楼板内产生压力，下部楼层在楼板内产生拉力，楼板内最大拉应力出现在主人口门厅的上1层层4。在水平荷载作用下，楼板需协调部分楼层剪力至西侧的弧形桁架。可见在西侧桁架的角部有应力集中现象，其最大应力值为4.2～4.9MPa。

5、环桁架的设置

环桁架一般是超高层带伸臂结构中为协调外框柱的竖向变形而设置的。为加强西侧弧形桁架和主体部分的共同工作，在层4，16（避难层）和层29分别增设了3道环桁架。增设环桁架导致结构的整体抗侧刚度相应增大，相应导致了地震力的增大，两者相抵，有无设置环桁架对结构的层间变形分析结果影响较小；但环桁架导致了结构竖向抗侧刚度的突变，结构层间位移角也呈现了相应的突变。传统带伸臂高层建筑中的环桁架，协同外框柱中的轴力，使和伸臂相连的外框柱也能提供部分的抗倾覆能力。本工程的环桁架相当于沿结构平面环向加“箍”，主要目的是加强西侧的桁架组合柱和中部及周边框架的整体性，为避免对建筑功能造成过大影响，仅设置了3道环桁架。由于环桁架相对芯筒部分的抗侧刚度大较多，水平剪力在环桁架上下楼层的重新协调分布较严重，因此对环桁架上下楼层的楼板采取了适当加厚和配筋予以加强的措施。

6、结语

本工程是一个体形和平面等均较复杂的超高层建筑，且存在多项不规则。通过对复杂弧形组合桁架承重和抗侧的受力分析及构造加强，确保了其和整体结构的协调一致；通过性能化软件进行的评估分析，也验证了结构性能化目标的合理陛，有效保证了结构安全。